高扬程泵站停泵水锤防护技术对策

闫沛鑫

（甘肃省景泰川电力提灌管理局，甘肃 景泰 730400）

输水工程作为人们生产生活最重要的工程之一，近些年随着社会经济的发展有了迅猛发展，规模逐渐增加。但是在实际供水时也显露了某些安全性方面的问题，例如水锤问题是最为严重的问题之一。特别是对于高扬程泵站来说，受到较高扬程、较大输水量的影响，一旦因为故障而停泵时就容易造成非常严重的水力过渡问题，对于泵站甚至整个供水系统的安全性都具有非常严重的影响。所以需要加强高扬程泵站水锤问题的分析研究，制定出针对性的防护技术对策，从而确保事故停泵水锤的有效防护。

1 案例工程基本概况

甘肃某市建设长距离输水工程总体长度约9000m，供水管道直径达到DN350mm，虽然管径相对较小但是其沿程高程变化较大，管道起始端高程达到660.53m，尾端高程达到1005.78m，高程差较大，同时管道承压较严重。通过分析可知，若是较长输水管道首尾端起伏比较大时就容易产生水锤现象，所以为了确保此管线运行的安全性、尽量防止产生水锤事故，需要对此输水管道系统运行以及调节中可能产生的水锤问题进行分析。

2 高扬程泵站停泵水锤防护技术对策分析

2.1 无防护情况下停泵水锤分析

本文所进行的分析主要是对于正常供水（速度为305.7L/s）情况下停泵水锤来进行的，为了确保突然断电情况下能够对水泵机组进行有效保护，我们将止回阀安装在了泵出口的管道处，这样遇到停电等特殊状况可以快速起到防护状态。该水泵的停泵水锤在无防护措施下计算的情况如图1 所示。

图1 停泵水锤在无防护措施情况下计算情况

从上图中可知，在停泵情况下泵出口的最大水锤升压超过了2000m，在去除此位置管道高程情况下能够得到管道的受压值（5.27MPa），该值已经超出了此位置管道可以承载的压力（4MPa），同时很多位置水锤升压会超过管道的承载性能，超出水体承拉性能极值就会造成相应的蒸汽空腔，这样就形成了断流空腔，从而形成断流空腔最终再弥合成水锤，所以为了维护整个泵站机组系统的运行稳定、安全性，需要对停泵采取相应的措施[1]。

2.2 停泵水锤防护技术分析

（1）“空气阀+泵端液控蝶阀”防护技术分析

正常供水情况下在泵出口位置设置液控蝶阀，关闭阀门的顺序为1.5s 关闭60%、65%、70%，同时采取不同组合方式对水锤防护进行相应的分析，组合方式是按照全关时间60s、120s、180s、240s 来进行的。同时在该工程中我们在输水管道的2334m、2604m、5968m 等合适位置上，分别设置进气口径120mm、出气口径6mm 的空气阀。通过采取此种防护技术措施设定方式，我们后期经过实际运行论证能够得知，停泵水锤防护管道的负压大体消失，但是随着液控蝶阀关闭规律的不同，整个管道的正压下降情况还是存在一定不同，通过实际测定可知以下几种关阀方式能够有效控制水锤升压下降到管道能够承受范围内，分别为：

1.5s 快关60%全关180s、1.5s 快关60%、65%、70%全关240s。

（2）“空气阀+超压泄压阀”防护技术分析

通过停泵水锤在“空气阀+超压泄压阀”防护下分析结果，如图2 所示，在该系统中我们采取空气阀并且在多处设置超压泄压阀的防护方式，并且我们从图中可以得知，采取此种停泵水锤防护方式对于水锤正压作用具有良好的降低效果，但是不可忽视的是，所采用的管道承压能力相对较低，这样会造成泵出口位置以及相应管道处产生管道破裂现象发生，产生的原因是因其会受到水锤升压产生的作用力。通过此种“空气阀+超压泄压阀”的综合作用，能够对控制水锤负压起到非常好的防护效果，甚至能够直接消除掉管道的负压。

图2 停泵水锤在“空气阀+超压泄压阀”防护下分析结果

总的来说，采取“空气阀+超压泄压阀”的防护方式可以有效确保此工程在遭遇突发停泵水锤情况下泵站以及相应管道的安全性，虽然此种防护方案具有某些缺陷，主要是由于管道自身承压能力有限制约的，总的来说此种防护方案具有较强可行性[2]。

（3）“调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀”防护技术分析

通过以上分析能够得知，采取蝶阀时采取1.5s快关60%及180s 全关关闭规律，对于停泵水锤具有很好的保护效果，能够使整个系统处于安全稳定的环境下。但是此种防护方式的安全系数相对较低。相对于采取空气阀进行补气来说，采取调压塔进行补水的效果更佳，但是此种防护方式的总体投入成本相对较高，所以只需在相应位置设置一个单向调压塔即可，停泵水锤在“调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀”防护下分析结果如图3 所示。从该图中能够得知，停泵水锤的最佳防护效果是在采取300mm 管径的单向调压塔进行补水时产生的，此种情况下不但可以有效减少水锤升压，同时运行更为稳定。若是采取150mm 管径的单向调压塔进行补水，虽然可以有效降低水锤升压并且能够有效提升负压，但是在管道的末端还是存在一定问题，包括水锤升压超过管道承压、安装调压塔周边管道负压显著等[3]；采取225mm 管径单向调压塔进行的防护效果与采取150mm 管径单向调压塔进程的防护效果大体相同。

图3 停泵水锤在“调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀”防护下分析结果

总的来说，若是确保调压塔具有充足的水量，那么最好采取300mm 补水管径的单向调压塔进行防护。

（4）“调压塔+空气阀+超压泄压阀”防护技术分析

从上述所进行的多种防护措施分析情况来看，可以在+2571m 位置设置单向调压塔，此种方式所得到的效果和“调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀”的防护方案大体相似，停泵水锤在“调压塔+空气阀+超压泄压阀”防护下分析结果如图4 所示。

图4 停泵水锤在“调压塔+空气阀+超压泄压阀”防护下分析结果

通过分析可知，在管道负压提升方面来说，这种停泵水锤的防护效果在“调压塔+空气阀+超压泄压阀”的防护方式下，和“空气阀+超压泄压阀”的防护方式下大体相同，但是采用这种“调压塔+空气阀+超压泄压阀”相组合的防护方式在降低水锤正压方面的效果更佳，能够有效消除掉4500m 段管道的安全隐患问题，但是在泵出口位置以及9700m 位置的管道还是可能因为水锤正压问题而造成管道破裂的情况，需要特别给予关注。

通过上述分析可知，我们采取“调压塔+空气阀+超压泄压阀”的防护方式在停泵水锤防护效果上，和采取“空气阀+超压泄压阀”的防护方式具有类似的效果，这两种防护方式下水锤升压在一定程度上对于管道的安全具有影响，但是总体上看此防护方案效果更佳，具有较强的可行性[4]。

2.3 停泵水锤防护技术分析结论

以无防护停泵水锤计算结果作为基础，通过对高扬程泵站停泵水锤实施不同类型的防护措施，能够得到如下几方面结论：

（1）针对本工程的具体情况分析，可以得出可采取多种停泵水锤防护技术，其中包括：“空气阀+泵端液控蝶阀防护”“空气阀+超压泄压阀防护”“调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀”防护“调压塔+空气阀+超压泄压阀”防护等等，经过理论与实践相结合的方式进行论证，可知“调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀”的防护方式能够得到最佳的效果，可以有效降低水锤正压。

（2）在工程建设过程中要求管道承压需达到正常工作压力的1.3～1.5 倍，但在实际建设过程中往往由于控制不严达而不到标准，如果采取液控蝶阀或者超压泄压阀的方式实施停泵水锤防护，需要在一定程度上延长蝶阀总关阀的时间，同时也要相应的调低超压泄压阀临界压力值。

（3）通过对以上不同停泵水锤防护技术对比分析可知，若是在管道的最高点设置单向调压塔则能够大大提升起伏管道其余高点以及整个管道负压，同时也可以减小由于停泵对于水锤所产生的升压影响，起到比较好的防护效果。

3 结束语

高扬程泵站若是因为事故而停泵就非常容易形成严重的水力过渡问题，对于泵站甚至整个供水系统的安全性都会有非常严重的影响，需要采取相应的措施进行防护。本文主要介绍了几种不同的停泵水锤防护技术措施，通过不同措施的对比分析可知采取“调压塔+空气阀+泵端液控蝶阀”的防护技术措施可以获得较好的效果。通过本文的介绍能够对高扬程泵站停泵水锤防护提供一定参考和帮助，对于进一步推动水利工程发展具有现实意义。